[發(fā)明專利]一種考慮軟組織附著和骨生長的下頜骨多孔植入體的設(shè)計方法及多孔植入體

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010781768.2
• 申請日: 2020-08-06
• 公開（公告）號: CN111986310A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 彭文明;劉云峰;程康杰;姜獻峰;董星濤
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T7/11;G06F30/23;A61F2/30;A61F2/28
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務(wù)所有限公司 33241
• 代理人: 王利強;李百玲

1.一種考慮軟組織附著和骨生長的下頜骨多孔植入體的設(shè)計方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：

1)患者CT圖像數(shù)據(jù)采集及下頜骨三維模型建立：

①患者CT圖像數(shù)據(jù)采集:使用CT掃描設(shè)備對患者的下頜骨進行數(shù)據(jù)采集，并將其下頜骨CT數(shù)據(jù)存儲在存儲設(shè)備中；

②下頜骨三維模型的建立：利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件對下頜骨CT數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，重建下頜骨三維模型，根據(jù)下頜骨三維模型確定患者的下頜骨病變位置及范圍大小；

③下頜骨病變部分模擬切除：根據(jù)下頜骨病變區(qū)域，利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件中的設(shè)計工具對病變部分模擬切除，得到下頜骨缺損模型；

④病變?nèi)睋p部位修復(fù)模型的建立：根據(jù)下頜骨缺損模型的缺損大小及位置不同，采用鏡像技術(shù)或者曲面重建技術(shù)的方法修復(fù)病變?nèi)睋p部位，得到完整的下頜骨修復(fù)模型，并基于此生成下頜骨有限元網(wǎng)格模型；

2)下頜骨多孔植入體的設(shè)計

2.1)基于生物力學(xué)的下頜骨多孔植入體的個性化分層多孔植入體主體結(jié)構(gòu)設(shè)計；

①下頜骨缺損修復(fù)部位的生物力學(xué)分析：以下頜骨修復(fù)模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建有限元分析模型，進行有限元仿真分析，得到下頜骨的生物力學(xué)特性，并進一步得到缺損修復(fù)部位的生物力學(xué)特性；

②下頜骨多孔植入體的個性化分層多孔植入體主體結(jié)構(gòu)設(shè)計：根據(jù)下頜骨缺損修復(fù)部位的生物力學(xué)特性和下頜骨生物結(jié)構(gòu)特點，對下頜骨修復(fù)模型進行不等距分層設(shè)計處理，得到若干層片狀結(jié)構(gòu)，并在不同片狀結(jié)構(gòu)上設(shè)計不同大小的孔洞結(jié)構(gòu)，每層孔洞結(jié)構(gòu)相互錯開，若干層片狀結(jié)構(gòu)之間通過連接桿連接，形成分層多孔植入體主體結(jié)構(gòu)；

2.2)考慮軟組織生長的多孔植入體表面結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計

①多孔植入體表面結(jié)構(gòu)的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計：利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件，在下頜骨修復(fù)模型上，提取缺損修復(fù)部位表面，設(shè)計生成2mm的薄板結(jié)構(gòu)，并對薄板結(jié)構(gòu)邊緣部分進行光滑修剪處理，并利用有限元網(wǎng)格處理軟件進行網(wǎng)格劃分，得到初始結(jié)構(gòu)的有限元實體網(wǎng)格模型；

②多孔植入體表面結(jié)構(gòu)的初始結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化：將患者的下頜骨有限元網(wǎng)格模型和多孔植入體表面結(jié)構(gòu)的初始結(jié)構(gòu)的有限元實體網(wǎng)格模型導(dǎo)入有限元仿真軟件中，設(shè)置優(yōu)化條件為應(yīng)變能最小化，優(yōu)化目標為體積小于70％，利用有限元仿真軟件中的拓撲優(yōu)化模塊進行優(yōu)化分析，得到多孔植入體表面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化形狀；

③多孔植入體表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計：將優(yōu)化形狀后的多孔植入體表面結(jié)構(gòu)導(dǎo)出到網(wǎng)格處理軟件中進行修整，得到表面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型，根據(jù)優(yōu)化模型中的密度分布特征及下頜骨植入體在承擔載荷中力學(xué)分布特點，依據(jù)力學(xué)傳遞原則合理配置設(shè)計植入體表面的材料分布及走向；與此同時，考慮軟組織的附著生長，在植入體表面設(shè)置網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；

2.3)將多孔植入體表面結(jié)構(gòu)和個性化分層多孔植入體主體結(jié)構(gòu)進行布爾組合，得到完整的分層多孔下頜骨植入體；

2.4)多孔植入體的固定連接結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計

①固定連接結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計：利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件提取植入體固定位置下頜骨表面，設(shè)計生成2mm的薄板結(jié)構(gòu)，并對薄板結(jié)構(gòu)邊緣部分進行光滑過渡處理，并利用有限元網(wǎng)格處理軟件進行網(wǎng)格劃分，得到固定連接結(jié)構(gòu)的有限元實體網(wǎng)格模型；

②固定連接結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化：將患者的下頜骨有限元網(wǎng)格模型、多孔植入體表面結(jié)構(gòu)的初始結(jié)構(gòu)的有限元實體網(wǎng)格模型以及固定連接結(jié)構(gòu)的有限元實體網(wǎng)格模型導(dǎo)入有限元仿真軟件中，設(shè)置優(yōu)化條件為應(yīng)變能最小化，優(yōu)化目標為體積小于70％，利用有限元仿真軟件中的拓撲優(yōu)化模塊進行優(yōu)化分析，得到固定連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化形狀；

③固定連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及螺釘?shù)拇_定：將得到的固定連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化形狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)出到網(wǎng)格處理軟件中進行修整，得到固定連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型，并在該固定連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型上，根據(jù)下頜骨的生理解剖特點，設(shè)計確定具有最佳生物力學(xué)特征的螺釘固定位置及數(shù)量；

④將固定連接結(jié)構(gòu)和分層多孔下頜骨植入體進行布爾組合，并對布爾結(jié)構(gòu)進行光滑過渡處理，得到下頜骨多孔植入體模型；

3)對下頜骨多孔植入體模型進行3D打印；

4)對打印后的下頜骨多孔植入體模型進行拋光、噴砂、羥基磷灰石涂層的后處理工藝，得到能應(yīng)用于臨床修復(fù)的下頜骨多孔植入體。